（植物营养学专业论文）土霉素的微生态效应及其在土壤环境中的降解特征研究.pdf

摘要 随着畜牧业的发展，抗生素作为兽药被越来越广泛地应用于畜禽养殖业中。它在保障动物健 康，促进畜牧业发展，改善人民生活水平等方面起了重要的作用。但是，兽药为人们带来诸多方 便的同时，也造成了对人体健康和环境卫生的潜在危害，如兽药在动物性食品中的残留可导致人 类变态( 或过敏) 反应、致畸、致突变和激素样作用等等。用药动物排至环境中的兽药及其代谢 产物也会对人类生活的环境和生态系统产生影响。因此，除进行兽药对食品动物的药理毒理学研 究外，亦应重视其对生态环境影响的研究，以求仓造更安全、更适于畜牧业持续发展的优良生态 环境。开展兽药对环境影响的研究是关系到人类健康和环境保护的重大课题。为此，我们通过室 内微犁模拟培养试验，并采用高效液相色谱等手段，对兽用抗生素土霉素的微生态环境效应进行 了研究，同时还研究了土霉素在不同温度条件下降解特征。取得的主要研究结果如下： 1 土霉素的生态毒理效应 本试验研究了土霉素对我国两种有代表性的十壤( 潮士和黑土) 微生物活性的影响，结果表 明，土霉素在土壤中有一定的生态风险，对土壤酶活性和十壤微生物生物鼍的影响较为复杂，且与 其在土壤中的持留时间有关，具体表现为： ( 1 ) 土霉素对土壤酶活性的影响。潮土脲酶活性表现为前期受到抑制，后期则受到刺激， 而黑士脲酶活性在5 6 天以前表现不明显( 第l 天l o om go t ck g 。1 处理除外) ，5 6 天以后表现为激 活作用；潮十磷酸酶活性表现为前期受到刺激而后期则表现为抑制作用，黑十磷酸酶活性整体表 现为前期以抑制作用为主，培养第1 1 2 天则变现为低浓度时受到刺激和高浓度受到抑制；土霉素 对潮土过氧化氢酶活性的影响表现为，整个培养期内均受到抑制，但是在后期随着培养时间的延 长，过氧化氢酶活性受抑制的程度逐渐减弱，土霉素对黑土过氧化氢酶活性的影响与潮士相似； 土霉素对潮土蔗糖酶活性的影响表现为，在培养第7 、1 4 、2 1 、2 8 、5 6 天里，所有土霉素的处理， 土壤蔗糖酶活性均低于对照，直到第1 1 2 天蔗糖酶活性才恢复到对照的水平；土霉素对黑土蔗糖 酶活性的影响在前期不明显，后期表现为强烈的抑制作用，直到培养结束这种抑制作用仍然存在； 土霉素对潮士脱氢酶活性的影响在整个培养期间表现为刺激作用；土霉素对黑土脱氢酶活性的影 响，在第2 8 天前不明显，第2 8 天后对脱氢酶活性具有刺激作用，第5 6 天后则表现为抑制作用。 ( 2 ) 土霉素对士壤微生物生物量的影响。本试验条件下，土霉素对土壤微生物生物量及微 生物生物量碳氮的影响也与土霉素在土壤中的持留时间有关。具体表现为；培养第1 4 至2 l 天， 土霉素对土壤微生物生物量影响较强烈，在培养第1 1 2 天，土霉素对土壤微生物生物量的影响仍 然存在。在培养后期，土霉素增加了土壤微生物生物量碳和氮的比率，表明土霉素可能会引起土 壤微生物种群的改变。 2 不同温度条件下土霉素的降解规律。 土霉素在不同温度下降解速率是不同的，具体表现为： ( 1 ) 土霉素在不同温度处理土壤中降解速率不同，2 5 c 培养条件下降解速度明显快于4 培 养。土霉素在土壤中的降解符合一级动力学方程，不论是在2 5 培养还是在4 培养，其降解曲 线均为幂指数方程，相关系数显著。 关键词：土霉素，微生态效应，土壤酶，微生物生物量，降解 a b s t r a c t 晰t ht h ed e v e l o p m e n to fs t o c k b r e e d i n g a n t i b i o t i c sa r ew i d e l yu s e di nt h ea n i m a la n dp o u l t r y p r o d u c t i o na sv e t e r i n a r yd r u g st op r o t e c ta n i m a la n dp o u l t r yf r o mi l l n e s sa n dt op r o m o t et h e i rg r o w t h t h eu s a g eo fa n t i b i o t i c si na n i m a la n dp o u l t r yf a r m sh a sb e e ns u c c e s s f u li ni m p r o v i n gf a r ma n i m a l p r o d u c t i o n ，p r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fa n i m a lh u s b a n d r y , i m p r o v i n gl i v i n gs t a n d a r da n df o o d s e c u r i t y h o w e v e r , v e t e r i n a r yd r u g sa r ep o t e n t i a l l yh a r m f u lt oo r g a n i s m si ne n v i r o n m e n t s f o ri n s t a n c e ， v e t e r i n a r yd r u gr e s i d u e si na n i m a lf o o dc a r lc a u s eh u m a na l l e r g y , m a l f o r m a t i o na n dm u t a t i o n m o r e o v e r , v e t e r i n a r yd r u gr e s i d u e si ne n v i r o n m e n t sc a i li n f l u e n c eh u m a nl i f ea n de c o s y s t e m t h u s ，i no r d e rt o c r e a t eas a f ea n dc l e a ne n v i r o n m e n t ，r e s e a r c ho b j e c t i v e ss h o u l db ef o c u s e do nn o to n l yt h ev e t e r i n a r y d r u g sp h a r m a c o l o g ya n dt o x i c o l o g y , b u ta l s ot h ei n f l u e n c eo fv e t e r i n a r yd r u g so nm i c r o o r g a n i s m si n t e r r e s t r i a l e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t s i nt h ep r e s e n tr e s e a r c h ，p r i m a r ym i c r o e c o l o g i c a le f f e c t so f o x y t e t r a c y c l i n ew e r ee v a l u a t e db y u s i n gi n c u b a t i o ne x p e r i m e n t sa n di t sd e g r a d a t i o ni ns o i lu n d e r d i f f e r e n tt e m p e r a t u r er e g i m e sw a sa l s o i n v e s t i g a t e db ym e a n so fh p l c t h em a i nr e s u l t sw e r e p r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 n em i c r o - e c o l o g i c a le f f e c t so fo x y t e t r a c y c l i n ei ns o i l a ni n c u b a t i o ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt os t u d yt h em i c r o - e c o l o g i c a le f f e c t so fo x y t e t r a c y c l i n e i nt w or e p r e s e n t a t i v es o i l si n c h i n a ( f l u v o a q u i cs o i la n db l a c ks o i l ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a t o x y t e t r a c y c l i n ep o s e ds o m ee c o l o g i c a lr i s k si nt h es o i l s t h ee f f e c t so fo x y t e t r a c y c l i n eo ns o i le n z y m e s a n dm i c r o b i a lb i o m a s sw e r ed e p e n d a n to nt h er e t e n t i o nt i m eo fo x y t e t r a c y c l i n ei ns o i l s ( 1 ) 功ee f f e c t so fo x y t e t r a c y c l i n eo ns o i le n z y m e s u r e a s ea c t i v i t yw a si n h i b i t e da te a r l ys t a g e sb u t w e r es t i m u l a t e da tl a t e rs t a g e si nf l u v o a q u i cs o i lt e s t e d ，w h i l ei tw a su n c h a n g e db e f o r et h e5 6 一d a yi n t h eb l a c ks o i lt e s t e d ( e x c e p tf o rt h et r e a t m e n tw i t ho t ca tt h el e v e lo f10 0n a go t ck g - 1a tt h ef i r s t d a yo fi n c u b a t i o n ) ，a n ds t i m u l a t e db yo t ca tt h e l l2 t hd a y p h o s p h a t a s ea c t i v i t yw a si n h i b i t e di n f l u v o a q u i cs o i lt e s e di nt h ee a r l ys t a g e sa n ds t i m u l a t e di nt h el a t e rs t a g e s b yc o n t r a s t ，p h o s p h a t a s e a c t i v i t yo f b l a c ks o i lw a sr e s t r a i n e du n t i lt h e1 12 t hd a y , a n dw a ss t i m u l a t e dw i t hl o w e rc o n c e n t r a t i o n so f o t ca n dr e s t r a i n e dw i t hh i g h e rc o n c e n t r a t i o n so fo t c t h ea c t i v i t i e so fc a t a l a s ew e r er e s t r a i n e di nt h e w h o l ec u l t u r ep e r i o d s ，b u tw e r ee n h a n c e dw i t hi n c r e a s i n go fc u l t u r et i m ei nb o t ht e s t e ds o i l s t h e a c t i v i t yo fs u c r a s ei nt h ef l u v o a q u i cs o i lt r e a t e dw i t ho t cw a sl o w e rt h a nt h a to ft h ec o n t r o lt r e a t m e n t a n dw a sn o tr e c o v e r e dt ot h en o r m a ll e v e lu n t i la tt h el l2 md a y h o w e v e r , i nb l a c ks o i l e f f e c t so f o t co na c t i v i t yo fs u c r a s ew e r en o tc h a n g e ds i g n i f i c a n t l yw i t h i n2 8d a y s ，a n dt h ee n z y m ea c t i v i t yw a s i n h i b i t e ds t r o n g l ya f t e r w a r d s i ng e n e r a l ，t h eo t ca d d e ds t i m u l a t e dt h ea c t i v i t yo fd e h y d r o g e n a s ei n t h ef l u v o a q u i cs o i l n ea c t i v i t yo fd e h y d r o g e n a s ei nt h eb l a c ks o i lw a sn o ts i g i n i f i c a n t l ya f f e c t e db y o t cb e f o r et h e2 8 t hd a ya n dw a ss t i m u l a t e du n t i lt h e5 6 t hd a y , b u tw a si n h i b i t e da f t e r w a r d s ( 2 ) t h ee f f e c to fv e t e r i n a r yd m go x y t e t r a c y c l i n eo nm i c r o b i a lb i o m a s si ns o i l u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h ee f f e c to fo t co nm i c r o b i a lb i o m a s sa n dc a r b o n - n i t r o g e n r a t i o ( c n ) w a sd e p e n d e n tc l o s e l yo nt h er e t e n t i o nt i m eo fo t ci ns o i l t h er e s u l t ss h o w e dt h a to t c s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e ds o i lm i c r o b i a lb i o m a s sf r o mt h e1 4 t hd a yt ot h e2 1 t hd a ya n ds u c he f f e c t c o u l d b es t i l lo b s e r v e da tt h e112 t hd a y i na d d i t i o n ，t h ea d d i t i o no fo x y t e t r a c y c l i n ec o u l di n c r e a s et h er a t i oo f s o i lm i c r o b i a lb i o m a s sc a r b o nt os o i lm i c r o b i a lb i o m a s sn i t r o g e n ，s u g g e s t i n gt h a to x y t e t r a c y c l i n em i g h t c h a n g et h em i c r o b i a lc o m m u n i t y 2 d e g r a d a t i o no fo x y t e t r a c y c l i n eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r er e g i m e s t h ed e g r a d a t i o no fo x y t e t r a c y c l i n ev a r i e dg r e a t l yf r o mt e m p e r a t u r er e g i m e s ( 1 ) t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fo x y t e t r a c y c l i n ew a sq u i c k e ra t2 5 ct h a na t4 c t h ed e g r a d a t i o n c u r v eo fo x y t e t r a c y c l i n ea t2 5 * ( 2o r4 cc o u l db ef i t t e di n t oe x p o n e n te q u a t i o n s w i t hc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tr e a c h e ds i g n i f i c a n t l yl e v e l k e yw o r d ：d e g r a d a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n t ，m i c r o b i a lb i o m a s s ，o x y t e t r a c y c l i n e ， s o i le n z y m e 英文缩写 o t c c 口 o f l x n f x r 1 1 m t e l x e ( s d s m x s m m s d m t c 删c c i n i c n 血c 英文全称 o x y t e t r a c y c l i n e c i p r o f l o x a c i n o f l o x a c i n n o r f l o x a c i n f l u m e q u i n e t o s u f l o x a c i n e n 0 x a c l n s u l f a d i a z i n e s u l f a m e t h o x a z o l e s u l p h a m o n o m e t h x i n e s u l f a d i m e t h o x i n e t e t r a c y c l i n e 英文缩略表 中文名称 土霉素 环丙沙星 氧氟沙星 诺氟沙星 氟甲喹 托氟沙星 依诺沙星 磺胺嘧啶 磺胺甲恶唑 磺胺甲氧嘧啶 磺胺间二甲氧嘧啶 四环素 h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y 高效液相色谱 m i c r o b i a lb i o m a s sc a r b o n m i c r o b i a lb i o m a s sn i t r o g e n v i i 微生物生物量碳 微生物生物量氮 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包合为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：德毫聊哆 帆腓月夕日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科学院有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全 部或部分内容。 浙罐 的学位论文在解密后应遵守i h 凇n 义) 论文作者懿：膨够 导师签名： 鼻汜之 时间：弘谬年月多日 时间：如疠年毛月1 矿日 中国农业科学院硕十学位论文第章研究目的及内容 第一章研究目的及内容子 1 1 研究目的与意义 抗生素一般是指由细菌、霉菌或其它微生物在繁殖过程中产生的，能够杀灭或抑制其它微生 物的一类物质及其衍生物，主要用于治疗敏感微生物( 常为细菌或真菌) 所致的感染。自1 9 2 9 年青霉素被发现以来，抗生素在预防、治疗人和动物的疾病中做出了重要的贡献。近年来，随着 畜牧业的发展，兽药被广泛应用。兽药在保障动物安全，提高蓄禽生产力，促进畜牧业发展，改 善人民生活水平，提高国家食品安全等方面起了重要的作用。兽药在为人们带来诸多方便的同时， 也造成了对人体健康和环境卫生的潜在危害，如兽药在动物性食品中的残留可导致人类变态( 或 过敏) 反应、致畸、致突变和激素样作用等诸多方面不利影响，而由用药动物排至环境中的兽药 及其代谢产物会对人类生活的环境和生态系统产生影响。因此，除进行兽药对食品动物的药理毒 理学研究外，亦应重视对环境和生态影响的研究，以求创造更安全、更适于畜牧业持续发展的优 良生态环境，所以开展兽药对环境影响的研究是关系剑人类健康和环境保护的重大课题。 兽药和饲料添加剂的大量使用，带来了两大方面的负面影响：第一，畜禽等食品动物长期低 剂量摄入抗生素，导致畜禽对抗生素产生耐药性。同时，大量的外源性化学物质进出蓄产品中，抗 生素在动物体内蓄积，致使动物食品肉、蛋、奶及内脏中产生抗生素残留。动物食品中的抗生素 沿食物链传递到人，对人类食品安全和公共卫生构成威胁，一方面包括对人类的直接毒性作用( 急 慢性中毒、过敏性反应、激素样作用、致癌和致变作用) ；另一方面，有抗生素的动物食品可以对 人类肠道内正常菌群产生不良影响，会抑制或杀死部分敏感菌，破坏肠道内生态区系平衡，使致病 菌( 如大肠杆菌) 大量繁殖，损害人类健康。第二，各类大型养殖场的动物使用兽药和添加剂后， 大部分以原药和代谢产物的形式经动物的粪便和尿液进入环境中，当动物体内排出的化学物超过 环境的自净能力时，就会对生态环境造成影响。例如经动物粪便排出的各种抗生素及其代谢产物 在堆肥过程就可能抑制粪便中的某些微生物以及某些昆虫的生长。残留于粪便中的抗菌药若在环 境中不能被完全降解，则会破坏水和土壤中微生物的平衡。又如阿维菌素类药物因其，“谱抗寄生 虫作用，能够影响粪便中昆虫的生物蜃，势必会对粪便分解产生影响，进而影响土壤环境。对土 壤、水体等环境带来不良的影响，并通过食物链对生态系统产生危害，影响其中的植物、动物和 微生物的正常生命活动。最终影响人类的健康。 粪便施肥是抗生素进入土壤环境的主要途径，v a ng o l l 估计如果将所有的粪便用于荷兰的 2 x 1 0 6h m 2 可耕土地，那么每平方可耕土地上每年将接收1 3 0i n g 抗生素及抗生素的代谢物。假设 这些抗生素只分布在表层1 0c m 的士壤中，那么其质量浓度大约为0 8 7n a gk g - i 。然而抗生素在环 境中不可能以这样一个均匀的质量浓度分配，据经验估计；荷兰土壤中抗生素的质量浓度在1 5 m gk g 。1 范围内。四环素类兽药容易被土壤吸附，因此随着作为有机肥的粪便一起进入土壤的四环 素很容易在农业土壤中积累而造成污染。一般养殖场多分布在城郊，而蔬菜产地也分布在城郊的， 因此养殖场粪便直接进入蔬菜地，有研究表明，植物对兽药具有一定的积累，如果兽药在蔬菜中 积累，很容易随蔬菜而进入人体，造成潜在的危害。 土壤是一个动态的、有生命的自然体，其中不断进行着由土壤酶催化的复杂的生物化学反应， 中国农q k 乖t - 学院硕i ：学位论文第章研究目的及内容 这些反应是土壤代谢的基础，在土壤乃至整个陆地生态系统中发挥着重要作用。土壤酶活性与土 壤的物理特性、水热状况、土壤的无机和有机组分的化学组成及吸收性复合体的特征以及农业技 术措施等有着密切的相关，可以表征土壤发生与发育、土壤肥力的形成等过程；土壤酶在土壤污 染物的转化中起剑重要作用，可以根据土壤酶活性的变化来判断土壤的污染程度；在生态系统的 物质和能量循环等过程中，土壤酶起到表征物质和能鼍转化强度的作用。土壤酶主要来自土壤微 生物，也来自植物根系分泌和土壤动物以及进入土壤的动、植物残体。由于兽药本身设计目的是 杀死微生物，因此进入士壤的兽药可能会影响微生物群落功能和结构，进而影响土壤酶活性，以 及土壤中生物化学过程，如有机质分解，c ，n 等生命元素循环等，造成土壤质量衰退，影响农业 可持续发展。 国内外的研究结果表明，土霉素在土壤中降解受土壤矿物类型，有机质含量，环境温度，水 分，p h 值，植物生长等的影响。但目前关于兽药在我国土壤中降解的研究还鲜见报道。有关土霉 素对土壤酶活性的研究还不多，我国对兽药生态毒性的研究还未大量展开。本文选择畜牧业中用 量较大的四环素类抗生素土霉素为研究对象，着重研究抗生素类兽药在土壤中的降解和对土壤酶 活性及士壤微生物生物量的影响，旨在为兽药在士壤在环境中的微生态风险评价提供理论依据。 1 2 本论文主要研究内容 ( 1 ) 土霉素对黑土和潮士酶活性的影响。 ( 2 ) 土霉素对土壤微生物群落功能的影响。 ( 3 ) 温度对士壤中土霉素降解规律的影响。 2 中国农业科学院硕卜学位论文第_ 章兽用抗生素污染研究概况 ii , , i ii i 皇曼曼蔓曼量曼曼量寡量邑皇量曼量曼量曼曼曼曼皇曼舅皇曼皇曼曼寡量量曼皇曼寰曼寰量曼皇曼曼 第二章兽用抗生素污染研究概况 2 1 常用抗生素的种类 自青霉素应用于临床以来，人类开始广泛使用抗生素，并且家禽饲养、水产养殖和食品加工 等方面也在广泛应用。很多抗生素在各种常见细菌性疾病的治疗中，发挥了重要的作用。目前抗 生素的种类已达几千种，在临床上常用的亦有几百种。目前主要的抗生素类型包括：( 1 ) b i 4 酰 胺类：b 一内酰胺类抗生素是指化学结构中具有1 3 内酰胺环的一大类抗生素，是抗生素中使用量最 大的一类。主要包括青霉素和头孢菌素两大类。有天然的和半合成的两类，都有一个b 一内酰胺环。 可通过抑制转肽酶干扰细胞壁的合成，主要用于抗革兰氏阳性菌，但有些经过改造的可抗阴性菌。 青霉素结构上由母核与侧链构成，侧链决定其特异性。母核包括1 3 内酰胺环和四氢噻唑环。青霉 素是一元酸，可成盐。其盐易溶于水，酸易溶于有机溶剂。医药上常用钾盐和钠盐，为白色结晶 或粉末。水溶液不稳定，极易失效不耐热，一般冰箱保存。其盐的结晶纯品干燥时可室温保存数 年。酸、碱、重金属及青霉素酶可使其内酞胺环破裂，导致失效。青霉素酞化酶可使其侧链裂解 下来，得到6 。氨基青霉烷酸( 6 - a p a ) 。头抱菌素与青霉素相似，其母核为7 氨基头孢烷酸( 7 - a c a ) ， 含有二氢曝嗦环。头抱菌素较耐酸和重金属，毒性低，但天然头孢活性较低，常用半合成进行改 造。青霉素的使用使人类寿命出现第二次飞跃( 牛痘为第一次) ，平均增加了约2 0 岁。1 9 8 0 年全 世界抗生素总产量为2 5 0 0 0 吨，其中青霉素1 7 0 0 0 吨，头孢1 2 0 0 吨。而到了2 0 0 2 年，我国仅青霉素 的产量就超过2 2 万吨，占全世界的7 0 。( 2 ) 喹诺酮类：喹诺酮类药物已经在我国人医和兽医 临床上被广泛应用，被认为是理想的抗菌药物。喹诺酮类药物按发明的年代的先后和抗菌性能的 不同，分为三代。第一代系指6 0 年代开发的，抗菌谱较窄、抗菌作用弱，主要包括萘啶酸、吡咯 酸、恶喹酸等；第二代系7 0 年代开发，抗菌谱有所扩大，抗菌作用有所增强，主要对革兰氏阴性 菌有效的抗菌药物。主要包括新恶酸、噻喹酸、吡哌酸等第三代即氟喹诺酮类药物，效果要远远 高于第一代和第二代喹诺酮类药物。主要包括环丙沙星( c i p r o f o x a c i n ) 、氧氟沙星( o f o x a c i n ) 、 诺氟沙星( n o r f l o x a c i n ，氟哌酸) 、氟甲喹( f l u m e q u i n e ) 、托氟沙星( t o s u f l o x a c i n ) 和依诺沙星( e n o x a c i n ) 等。氟喹诺酮类药物对链球菌和表皮葡萄球菌有抑菌和杀菌作用，抗菌力强、体内分布广、低残 留、安全性高、价格低廉，且与第一、第二代相比，抑菌和杀菌作用更加迅速、彻底。( 3 ) 大 环内酯类：以大环内酯为母体，通过羟基以苷键和1 3 个糖分子相连的抗生素，通常按内酯环的组 成分为1 4 元环和1 6 元环等。临床常用的有红霉素、罗红霉素、乙酞螺旋霉素、麦迪霉素和交沙霉 素等，该类药属静止期抑菌剂。( 4 ) 磺胺类药物：为氨苯磺胺( 简称磺胺) 的衍生物。磺胺的 分子中含有一个苯环，一个对位氨基和个磺酰胺基。各种化学基团来取代磺酰胺基上的氢原子， 合成了大虽有效的衍生物。临床常用的有磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑和甲氧苄啶等；磺胺类药物是应 用最早的一类人工合成抗菌药物，主要包括磺胺嘧啶( s u l f a d i a z i n e ，s d ) 、磺胺甲恶唑 ( s u l f a m e t h o x a z o l e ) 、磺胺甲氧嘧啶( s u l p h a m o n o m e t h x i n e ，s m m ) 、磺胺间二甲氧嘧啶 ( s u l f a d i r n e t h o x i n e ，s d m ) 、磺胺甲基嘧啶( s m l ) 等。磺胺类药物属于广谱抗菌药，血液中最 低有效浓度为0 0 5i r n l l 。具有抗菌谱广、疗效强、方便安全等。 ( 5 )四环素类：四环素类抗 生素具有共同的基本母核( 氢化骈四苯) ，仅取代基有所不同的一类化合物。它们是两性物质，可 3 中囝农、眦科学院硕 ：学位论文 第二带 兽用抗生素污染研究概况 与碱或酸反应而成盐。通常在碱性水溶液中易降解，在酸性水溶液中则较稳定，故临床一般用其 盐酸盐。主要包括四环素( t e t r a c y c l i n e ) ，土霉素( 氧四环素，o x y t e t e r a c y c l i n e ) ，金霉素( 氯四环 素，c h l o r t e t r a c y c l i n e ) 等。四环素类药物快速抑菌剂，在高浓度具有杀菌作用，抗菌谱广，价格便宜。 2 2 抗生素作用机理 抗生素作用机理主要为：( 1 ) 抑制核酸的合成有些抗生素可抑制核酸的合成：其抑制机理是 多种多样的。例如，博莱霉素可引起d n a 链的断裂，丝裂霉素c 能与d n a 形成交联，抑带i d n a 的 复制，利福霉素则通过与细菌r n a 聚合酶的结合来抑制转录反应。( 2 ) 抑制蛋白质的合成：十 分复杂，因此抑制的作用点也很多。主要有抑制氨基酸的活化。例如，碍f 哚霉素是色氨酸的类似 物，能抑制蛋白质合成的起始，抑制肽链的延伸，四环素可封闭小亚基的氨酰位点氯霉素主要是 与细菌核糖体的5 0 s 亚基结合而抑制肽酰基转移反应，使翻译提前终止。( 3 ) 改变细胞膜的通透 性：多肤抗生素，如多粘菌素e 、短杆菌素s 等，具有表面活性剂的作用，能降低细菌细胞膜的表 面张力，改变膜的通透性，甚至破坏膜的结构，从而导致细胞内物质外泄，促使细菌死亡。( 4 ) 干扰细胞壁的形成：青霉素、头饱菌素等可干扰细胞擘的形成，使细菌变形，甚至破裂、死亡。 ( 5 ) 干扰细菌的能鼍代谢：如抗霉素a 、寡霉素等，是氧化磷酸化的抑制剂。 2 3 兽药抗生素的消费状况 目前，全球每年至少有5 0 的抗生素是用于畜牧业和水产养殖业，而且使用的种类和总量也 在逐年增加。如在对虾养殖场使用抗生素的调查中发现，使用外源化学物种类从1 9 9 0 年的4 0 种， 增加到2 0 0 ( 0 的7 0 种。两到2 0 0 3 年仅抗生素的种类就达至j j 5 6 种( l y t e - f r i t c he ta 1 ，2 0 0 5 ) 。据统计， 丹麦土霉素( o t c ) 的使用量从2 3 2 1t ( 1 9 9 6 ) 增加剑2 ，6 6 2t ( 1 9 9 7 ) ，奥喹多司( o l a q u i n d o x ) 作为生长调节剂使用量从1 6 2 1 3t ( 1 9 9 5 ) ，增加到2 8 4 4 5t ( 1 9 9 8 ) 。据调查，欧盟和瑞士1 9 9 9 年消耗的1 3 2 8 8t 抗生素重6 5 用于人类的医药，2 9 用于动物的兽药，6 作为动物生长促进及 使用。2 0 0 0 年美国消耗抗生素1 6 2 0 0 t ，其中7 0 用作兽药，3 0 作为医药使用。因此，可以专家 推断环境中的抗生素主要来源于医药和农用兽药( 王冉等，2 0 0 6 ) 。 美国和欧盟分别于1 9 8 0 和1 9 9 7 年开展兽药对环境影响的研究，对兽药使用管理也比较规范， 欧盟国家使用的兽药主要是抗生素和杀寄生虫类药物。在德国，每年处方药物的用量达1 0 0 t ，目前 英国和荷兰主要使用的兽药类型见表2 一l 。 据粗略统计，美国1 9 9 6 年用在动物保健上的药物总花销为3 3 亿美元，其中疾病治疗花费2 3 亿 美元，预防疾病和促进生长药物花费5 4 亿美元，提高畜禽免疫能力的疫苗类药物花费4 6 6 亿美元。 仅水产养殖业美国每年抗生素消费约在9 2 5 吨至1 9 6 4 吨之间。但就目前的统计来看，各国对兽药 的统计并不准确。如一项统计认为美国每年养殖业消费抗生素约8 0 0 0 吨，但另一项统计表明美国 养殖业消费的抗生素应该为11 2 0 吨。 4 中同农业科学院硕 ：学位论文第_ 章兽用抗生素污染研究概况 m i i i i 曼曼量曼曼曼蔓皇曼曼舅曼曼曼量曼曼曼曼舅舅 表2 - 1 英国和荷兰养殖业主要使用药物 t a b l e2 - 1m a i nk i n d so f v e t e r i n a r ym e d i c i n e su s e di na n i m a lh u s b a n d r yi nu ka n dn e t h e r l a n d s 种类 作用 治疗疾病举例 抗生素类杀死微生物、抑制微生物繁殖细菌引起的疾病 或生长的治疗和预防 内生寄生虫药剂杀死动物体内内生寄生虫 球虫抑制剂 杀死动物肠内单细胞寄生虫 杀死或抑制真菌病原菌 抗真菌药抑制水体中有害生物的繁殖 水产病害药剂 协调细胞功能、感知细胞变化 提高动物肉及其副产品产量 激素类杀死患病动物 生长剂类 安乐死剂 镇定药物 治疗或驱除动物肠胃、 肝及肺内寄生虫 治疗球虫病、猪痢疾等 阿奠西林、洁霉素、 土霉素、泰乐素、磺、胺 嘧啶 伊维菌素、噻嘧啶、三氯 苯哒唑 氨丙啉、氯砒啶、地美硝 唑 治疗真菌剂酵母引起的病 洛华盛、咪康唑 害 治疗海虱子( s e al i c e )甲基毗啶磷、赛灭宁、因 灭汀、土霉素 感应排卵等活动、抑制排 卵、提高食物消化烯丙孕素、苯甲酸雌二酮 使动物安定提高食物消化效率黄磷脂、孟宁素、盐霉素 治疗胀痛类疾病( 主要应用于 牛) p e n t o b a r b o t o n es o d i u m p h e n o n a r b i t o n e d i m e t h i c o n e s ， p l o x a l e n e 预防、治疗胀痛病类药物 表2 - 2 中国抗生素的国内市场销售情况 t a b 2 2t h es a t e ss i t u a t i o no fa n t i b i o t i c si nc h i n a 5 中圉农、i k 科学院硕十学位论文 第_ 章 兽用抗生素污染研究概况 i i i i-_= 寰_ 曼 2 4 兽药抗生素进入环境的途径 兽药主要经过以下几条途径进入环境( 如图2 1 ) ，抗生素来源主要包括：病人和动物粪便 和尿液排放的抗生素；处理过的抗生素生产过程中产生废水中的抗生素；水产养殖塘泥和污 泥作为肥料带入土壤中的抗生素；生产和使用过程中遗弃的抗生素( 王冉等，2 0 0 6 ) 。 兽药进入土壤最主要的途径是大规模的养殖场将含有未分解兽药或兽药中间代谢产物的粪 尿直接施入土壤作为有机肥料。一般而言，大部分种类的药物可在动物体内降解，但降解率仅为 1 0 - 4 0 。未降解的母体药物将随粪便排出体外进入土壤，大量兽药母体及其中间代谢产物严重污 染土壤，养殖场中的禽富粪便中兽药含量达到几十甚至上百m gk g 一。大量含有兽药的粪便被施入 农田土壤中，尤其是城郊蔬菜地而污染十壤。另一个重要的土壤兽药污染源是水产养殖。在最近 的十几年里，水产业发展迅速，水产业中的病害也越来越多，这就导致了兽药需求的大量赠加。 如对虾养殖场调查中发现，2 0 0 3 年仅抗生素的种类就达5 6 种。 6 中围农、f k 科学院硕i ：学位论文第二章兽用抗生素污染研究概况 - 图2 1 兽药抗生素在环境中暴露的途径 f i 9 2 - 1t h ew a y o fa n t i b i o t i c se x p o s e di ne n v i r o n m e n t 2 5 兽药抗生素在土壤中残留 兽药抗生素可用于治疗、预防动物疾病或促进其机体生长。它们通常具有类似的物理、化学 性质以保证生物效应的产生，多为亲脂性以通过生物膜屏障进入生物机体；在体内持久性较强以 避免药效发挥前失活等等。上述性质决定药物易于通过生物积累并可能对水生生态系统或土壤生 态系统产生影响。同时，出于健康因素的考虑，目前所开发设计的兽药抗生素在受药生物体内选 择性提高、吸收量减少，使得绝大部分的药物进入环境，对环境存在着潜在的威胁。目前，有关 人体内抗生素代谢的排出量还不甚清楚，但对动物已经有所报道；同时，由于生物体内抗生素 物质的排出量会随着抗生素种类、生物个体用药方式的不同有所差异， 因此很难估计出精确的 数值。 抗生素类药物一般仅有6 0 9 0 随动物粪便排出体外。k r o k e r 甚至认为从动物粪便和尿液中排 出的抗生素超过其用药剂量的9 0 。按美国目前抗生素类兽药每年约1 1 0 0 0 吨计算，则每年从养 7 中同农、i k 科学院硕i 学位论文第一二章兽用抗生素污染研究概况 量曼曼曼曼皇曼i io 曼! 皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼舅 殖业流入环境的抗生素就达至u 6 6 0 0 - 9 9 0 0 吨，含有大量抗生素的养殖场粪便进入土壤后将导致农业 土壤污染，且这些兽药很可能在土壤中累积。目前，在- 士壤、水体、大气、甚至地下水等许多环 境中均已检测到残留的兽药。1 9 9 9 2 0 0 0 美国河流中药物、激素、及有机污染物调查发现，2 7 河 流水样中检测剑药物，浓度最高达到0 7 p gk g 一。很多鱼塘的水底沉积物中残留土霉素浓度达到 0 5 _ 4m gk g ，使用过- 十霉素的养殖场中5 0 的红蟹体内十霉素残留超过美国食品管理局标准 ( 0 1 1 t gk g 一) 。 动物体内的兽药最终进入粪便等排泄物，动物排泄物中兽药及其中间代谢产物浓度较高。经 过处理的养猪场有机肥料中磺胺类药物浓度高达3 5m gk g 一，四环素类药物则高达4n 唱k g 。1 ( h o p e re t a l ，2 0 0 2 ，) 。m e l l o n ( 2 0 0 1 ) 等在大型养殖场周围的粪便、土壤、水体中都监测到 了高浓度的多种抗生素，牛粪含红霉素o 7 3m gk g 一，拉沙里菌素和莫能菌素为4 8 7m gk 一，金 霉素和磺胺甲嘧啶3 9 7 3m gk g - 1 ；猪粪中含金霉素、磺胺塞唑及青霉素混合物1 3 3m gk 毫，金 霉素3 7m gk g 。据m o r a l e s m u n o z ( 2 0 0 4 ) 等的报道，西班牙使用养殖场畜禽粪便的土壤中， 诺氟沙星和环丙沙星浓度可高达9 8 和5 8m g 蝇。瑞士牛、猪牧场土壤中磺胺甲嘧啶类药物则高 达2 0m gk g 。我国的畜禽粪便抗生素污染也不容忽视。全国人大2 0 0 3 年的调查结果显示，我国规 模养殖场每年畜禽粪便产生量达1 7 3 亿吨，是工业固体废弃物的2 7 倍。由于畜禽粪便产生量很大， 8 0 以上畜禽粪便没有经过综合处理，而直接被施于农田，其生态与环境风险很大。张树清等 ( 2 0 0 5 ) 对我国7 省、市、自治区的典型规模化养殖场畜禽粪便的主成分分析表明，猪粪中土霉 素平均含量为9 0 9 m gk g 一，最高达1 3 4 7 5 m gk g 一，四环素类平均含量为5 ，2 2 m gk g ，最高达7 8 5 7 m g k g 一，金霉素平均含量为3 5 7m gk g ，最高含量为1 2 1 7 8m gk g 。因此，大量未经无害化处理或 简单堆肥处理的含有抗生素残留的畜禽粪便作为有机肥施于农田，是土壤环境中兽药抗生素的主 要来源之一( b a g u e re ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 由于目前废水处理工艺的限制，对医院废水和抗生素生产过程中产生的废水还不能够彻底处 理。这些废水中含有一定量的